專利名稱：雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合犧牲陽極的改進(jìn)技術(shù)，具體為一種雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極，適用于海港、碼頭以及海洋平臺(tái)等大型海洋鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)。
背景技術(shù)：
在進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，保護(hù)電流密度是非常重要的參數(shù)，不同時(shí)期鋼結(jié)構(gòu)所需的保護(hù)電流密度相差很大。一般來說，鋼結(jié)構(gòu)剛下水時(shí)，即極化初期階段，所需保護(hù)電流密度較大，初期過后，鋼結(jié)構(gòu)所需保護(hù)電流密度將大大降低。實(shí)際海洋工程設(shè)計(jì)中初期所需保護(hù)電流密度設(shè)計(jì)值一般為平均保護(hù)電流密度設(shè)計(jì)值的兩倍。雖然極化初期這段時(shí)間相對(duì)于整個(gè)鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命來說非常短，但是它對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)的使用壽命和防腐效果的影響是非常顯著的，因此，實(shí)際海洋鋼結(jié)構(gòu)防腐工程設(shè)計(jì)中必須對(duì)這一問題高度重視，才能確保防護(hù)效果，保證鋼結(jié)構(gòu)的正常使用。
傳統(tǒng)的犧牲陽極材料，如鋁基陽極和鋅基陽極由于驅(qū)動(dòng)電位有限，難以在初期提供足夠大的保護(hù)電流，必須依靠增大陽極數(shù)量來彌補(bǔ)，而初期極化階段過后，所需保護(hù)電流密度大大降低，針對(duì)這一情況有的設(shè)計(jì)者提出在犧牲陽極和被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)體組成的回路中串聯(lián)電阻來達(dá)到調(diào)節(jié)初期極化后保護(hù)電流密度的目的。這樣做的弊端在于有大量的犧牲陽極材料在極化初期后并沒有發(fā)揮保護(hù)作用，而是被串連的電阻消耗掉了。大型海洋鋼結(jié)構(gòu)，例如一座大型海洋平臺(tái)的犧牲陽極用量動(dòng)輒幾十噸甚至上百噸，所以這種浪費(fèi)是非常驚人的。另一方面，平臺(tái)置身廣闊的海水中，無時(shí)無刻不受到海水的侵蝕，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)平臺(tái)的荷載有著嚴(yán)格的要求，而過多使用犧牲陽極造成了平臺(tái)載荷增加，影響了平臺(tái)的穩(wěn)定性，成為潛在的安全隱患。
復(fù)合犧牲陽極是近年來發(fā)展起來的一種新技術(shù)，與傳統(tǒng)的犧牲陽極材料(海洋環(huán)境中常用的為鋁基犧牲陽極和鋅基犧牲陽極)相比，它在解決海洋環(huán)境中大型鋼結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合犧牲陽極，顧名思義，就是由兩種或兩種以上不同的犧牲陽極材料結(jié)合在一起制成的犧牲陽極。目前，海洋環(huán)境中使用的復(fù)合犧牲陽極其外層為鎂合金，驅(qū)動(dòng)電位較大，可在極化初期提供較大的保護(hù)電流使鋼鐵結(jié)構(gòu)快速極化，達(dá)到保護(hù)狀態(tài)。待外層鎂陽極全部溶解消耗后，驅(qū)動(dòng)電位較低但電流效率高的內(nèi)層鋁合金陽極開始工作，使保護(hù)電流密度調(diào)整到較低的水平，從而維持鋼結(jié)構(gòu)的長期、穩(wěn)定極化，實(shí)現(xiàn)防腐保護(hù)的目的。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)以及在平臺(tái)上的實(shí)際安裝測(cè)試，證實(shí)此復(fù)合犧牲陽極具有保護(hù)效果好、使用壽命長和大幅度節(jié)約陽極材料等優(yōu)點(diǎn)。
然而，眾所周知，鎂合金陽極在生產(chǎn)和使用方面存在如下缺點(diǎn)1、鎂合金易燃，因此在熔煉和澆鑄過程中須分別采用熔鹽和硫粉進(jìn)行保護(hù)，生產(chǎn)和制造工藝比較復(fù)雜，且污染環(huán)境，不利于操作人員的健康。
2.鎂合金陽極的電容量小、電流效率低，并且市場價(jià)格也高于鋁基陽極，因此從使用成本上看，鎂合金陽極也沒有優(yōu)勢(shì)可言。
鑒于此，有必要從外層材料的選擇上對(duì)復(fù)合犧牲陽極進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極，在總結(jié)復(fù)合犧牲陽極現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，選用了鋁合金陽極作為復(fù)合陽極的外層，充分利用了兩種鋁陽極的特點(diǎn)，具有保護(hù)效果好、使用壽命長、節(jié)省陽極材料等優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極，由內(nèi)外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料復(fù)合而成，本發(fā)明犧牲陽極的外層鋁合金成分為(按重量百分比計(jì))鋅2.5～3.5％，鎵0.05～0.20％，銦0.01～0.05％，錫0.01～0.03％，鉍0.005～0.05％，余量為鋁；本發(fā)明中內(nèi)層鋁陽極的成分為(按重量百分比計(jì))鋅2.5～7.0％，銦0.018～0.05％，鎘0～0.02％，錫0～0.075％，鎂0～1.5％，硅0～0.15％，鈦0～0.08％，余量為鋁。
按重量百分比計(jì)，本發(fā)明復(fù)合犧牲陽極較佳的外層成分為鋅3.0％，鎵0.10％，銦0.022％，錫0.012％，鉍0.01％，余量為鋁；較佳的內(nèi)層成分為鋅4.0％，鎂1.0％，銦0.022％，錫0.02％，鈦0.02％，余量為鋁。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)1、本發(fā)明內(nèi)外兩層均為鋁合金，但成分、性能和作用不同。
2、外層鋁合金犧牲陽極在天然海水中的工作電位為-1.40--1.45V左右，接近于普通鎂合金犧牲陽極的工作電位(-1.45--1.55V)。
3、內(nèi)外層都采用同一基體材料—鋁合金，使生產(chǎn)和制造工藝更加簡單，且與外層選用鎂合金相比更有利于節(jié)約成本。
4、本發(fā)明充分利用了兩種鋁陽極的優(yōu)點(diǎn)保護(hù)初期利用外層鋁陽極提供較大的保護(hù)電流，使鋼結(jié)構(gòu)迅速極化，快速生成表面沉積層，使之后保持穩(wěn)定極化所需電流密度大大降低；外層消耗后，內(nèi)層鋁陽極可在較小的保護(hù)電流下對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，充分發(fā)揮內(nèi)層陽極電流效率高、使用壽命長的特點(diǎn)，因此具有保護(hù)效果好、使用壽命長、節(jié)省陽極材料等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于海洋中大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的防腐保護(hù)。


圖1為本發(fā)明雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1-外層鋁合金犧牲陽極；2-內(nèi)層鋁合金犧牲陽極；3-鐵芯。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1根據(jù)GB/T17848-1999規(guī)定對(duì)復(fù)合犧牲陽極樣品的外層鋁陽極和內(nèi)層鋁陽極分別進(jìn)行了電化學(xué)性能測(cè)試。其中外層成分為(按重量百分比計(jì))鋅3.0％，鎵0.10％，銦0.022％，錫0.012％，鉍0.01％，余量為鋁；內(nèi)層成分為(按重量百分比計(jì))鋅4.0％，鎂1.0％，銦0.022％，錫0.02％，鈦0.02％，余量為鋁。測(cè)試結(jié)果為外層鋁陽極工作電位為-1.40--1.45V，電流效率為50％左右；內(nèi)層鋁陽極電位工作電位為-1.08--1.10V，電流效率為90％左右。本發(fā)明復(fù)合犧牲陽極由內(nèi)外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料復(fù)合而成，內(nèi)外層通過熱澆鑄的方法緊密結(jié)合。使用本實(shí)施例對(duì)某海洋平臺(tái)進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)參數(shù)如下平臺(tái)表面積10000m2設(shè)計(jì)壽命20年海水電阻率ρ＝20Ω.cm初期保護(hù)電流密度值130mA/m2平均保護(hù)電流密度值65mA/m2通過模擬試驗(yàn)來確定初期極化的時(shí)間為兩個(gè)月。
復(fù)合犧牲陽極采用截面為梯形的柱狀結(jié)構(gòu)，其大小尺寸為2300×(220+240)×230mm(柱體長度2300mm；梯形截面上底220mm，下底240mm，高230mm)，其中外層鋁合金陽極的包覆厚度為5mm，中間鐵芯半徑為3mm。通過計(jì)算，133塊上述規(guī)格的復(fù)合犧牲陽極，可在極化初期的兩個(gè)月內(nèi)使鋼結(jié)構(gòu)表面達(dá)到130mA/m2的初期保護(hù)電流密度。外層完全消耗后，內(nèi)層鋁合金陽極可以使鋼結(jié)構(gòu)表面的保護(hù)電流密度自動(dòng)降低至65mA/m2的平均保護(hù)電流密度。
若采用傳統(tǒng)鋁基犧牲陽極進(jìn)行設(shè)計(jì)，如鋁-鋅-銦系犧牲陽極，其工作電位為-1.10V，電流效率90％，大小尺寸同樣為2300×(220+240)×230mm，中間鐵芯半徑為3mm。為達(dá)到初期保護(hù)電流密度130mA/m2，則須安裝234塊鋁基陽極才能滿足要求，而按照平均保護(hù)電流密度65mA/m2計(jì)算，平臺(tái)20年的設(shè)計(jì)壽命內(nèi)，只需要133塊上述規(guī)格的犧牲陽極就可達(dá)到保護(hù)目的，這意味著近一半的陽極在極化初期過后并未發(fā)揮作用，而是被串聯(lián)電阻白白消耗掉了，因此，陽極材料的浪費(fèi)非常嚴(yán)重。
由此可見，采用本發(fā)明可使海洋鋼結(jié)構(gòu)陰極保護(hù)工程中傳統(tǒng)鋁基陽極材料的用量大大降低，可達(dá)40％左右，應(yīng)用前景非常廣闊。
實(shí)施例2按重量百分比計(jì)，所述犧牲陽極的外層鋁合金成分為鋅3.5％，鎵0.18％，銦0.022％，錫0.01％，鉍0.03％，余量為鋁；所述犧牲陽極的內(nèi)層鋁合金成分為鋅3.0％，銦0.02％，鎘0.02％，錫0.015％，鎂0.80％，硅0.08％，鈦0.04％，余量為鋁。
實(shí)施例3按重量百分比計(jì)，所述犧牲陽極的外層鋁合金成分為鋅2.5％，鎵0.06％，銦0.045％，錫0.03％，鉍0.01％，余量為鋁；所述犧牲陽極的內(nèi)層鋁合金成分為鋅5.5％，銦0.04％，鎘0.01％，硅0.05％，余量為鋁。
通過上述試驗(yàn)表明，本發(fā)明充分利用了兩種鋁陽極的特點(diǎn)，具有保護(hù)效果好、使用壽命長、節(jié)省陽極材料等優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極，其特征在于由內(nèi)外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料復(fù)合而成，按重量百分比計(jì)，所述犧牲陽極的外層鋁合金成分為鋅2.5～3.5％，鎵0.05～0.20％，銦0.01～0.05％，錫0.01～0.03％，鉍0.005～0.05％，余量為鋁；所述犧牲陽極的內(nèi)層鋁合金成分為鋅2.5～7.0％，銦0.018～0.05％，鎘0～0.02％，錫0～0.075％，鎂0～1.5％，硅0～0.15％，鈦0～0.08％，余量為鋁。
2.按照權(quán)利要求1所述的雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極，其特征在于按重量百分比計(jì)，所述復(fù)合犧牲陽極成分，外層為鋅3.0％，鎵0.10％，銦0.022％，錫0.012％，鉍0.01％，余量為鋁。內(nèi)層成分為鋅4.0％，鎂1.0％，銦0.022％，錫0.02％，鈦0.02％，余量為鋁。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種雙層鋁合金復(fù)合犧牲陽極，由內(nèi)外兩種不同的鋁基犧牲陽極材料復(fù)合而成，按重量百分比計(jì)，外層鋁合金陽極的成分為鋅2.5～3.5％，鎵0.05～0.20％，銦0.01～0.05％，錫0.01～0.03％，鉍0.005～0.05％，余量為鋁；內(nèi)層鋁合金陽極的成分為鋅2.5～7.0％，銦0.018～0.05％，鎘0～0.02％，錫0～0.075％，鎂0～1.5％，硅0～0.15％，鈦0～0.08％，余量為鋁。本發(fā)明充分利用了兩種鋁陽極的優(yōu)點(diǎn)保護(hù)初期利用外層鋁陽極提供較大的保護(hù)電流，使鋼結(jié)構(gòu)迅速極化，快速生成表面沉積層，使之后保持穩(wěn)定極化所需電流密度大大降低；外層消耗后，內(nèi)層鋁陽極可在較小的保護(hù)電流下對(duì)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)，充分發(fā)揮內(nèi)層陽極電流效率高、使用壽命長的特點(diǎn)，因此具有保護(hù)效果好、使用壽命長、節(jié)省陽極材料等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于海洋中大型鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施的防腐保護(hù)。
文檔編號(hào)C23F13/14GK101033552SQ20061004599
公開日2007年9月12日 申請(qǐng)日期2006年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月8日
發(fā)明者孫虎元, 張克, 孫立娟, 張經(jīng)磊 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院海洋研究所